云风解读：深入剖析Lua源码结构与核心机制

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"《Lua源码欣赏》是一本由云风大师编写的书籍，旨在深入剖析Lua编程语言的源码结构与工作原理。作者采用非线性写作方式，以独立章节的形式逐步探索，每章内容丰富，涵盖了Lua语言的核心概念和技术细节。以下是部分内容概述： 1. 第一章：概览 - 开篇介绍Lua源代码的整体结构，包括源文件的划分，强调了代码风格对于理解和学习的重要性。这一章可能探讨了Lua代码的组织、命名规范和代码整洁度。 2. 第二章：全局状态机及内存管理 - 进一步深入到Lua的内存管理和全局状态机的设计。这部分内容详细讲解了内存分配、回收机制，以及如何通过全局状态机实现程序的执行流程控制。章节中可能还讨论了防止初始化意外的策略，确保程序的稳定运行。 3. 字符串处理 - 在第三章，作者会重点剖析Lua中的字符串操作，包括数据结构和内置函数，解释字符串的内部表示以及它们在编译和执行时的工作方式。这部分内容对于理解Lua作为脚本语言的灵活性和效率至关重要。每一章都通过实战示例和理论分析相结合的方式，帮助读者逐渐掌握Lua源码的精髓。读者不仅能了解到Lua语言的底层实现，还能学习到如何以专业程序员的角度审视和优化代码。由于本书是基于草稿形式，预计随着作者的不断更新和完善，内容将更加全面和深入。"

甸第二章全局状态机及内存管理

甹申由 l uai _wr ite st rin ger ror (" PANIC : un prote cted error in call to Lua API (% s) \n

" ,

甹申甲 lua_t ostr ing (L , -1)) ;

甹申申 return 0; /* return to Lua to abort */

甹申甴 }

甹申电

甹申甶

甹申男 L UALIB_ API lua_State * lu aL_n ewst ate ( void ) {

甹申甸 lua_State *L = lua_ news tate ( l_alloc , NULL );

甹申甹 if (L ) lua_a tpani c (L , & panic );

甹甴田 return L;

甹甴由 }

界畵畡定义的内存管理器仅有一个函数，虽然接口上类似畲略畡畬畬畯畣但是和畃标准库中的畲略畡畬畬畯畣有所区别。

它需要在畮畳畩畺略为田时，提供释放内存的功能。

和标准库中的内存管理接口不同，界畵畡在调用它的时候会准确给出内存块的原始大小。对于需要为界畵畡

定制一个高效的内存管理器来说，这个信息很重要。因为大多数内存管理的算法，都需要在释放内存的时候

了解内存块的尺寸。而标准库的畦畲略略和畲略畡畬畬畯畣函数却不给出这个信息。所以大多数内存管理模块在实现时，

在内存块的前面加了一个畣畯畯畫畩略，把内存块尺寸存放在里面。界畵畡在实现时，刻意提供了这个信息。这样我

们不必额外储存内存块尺寸，这对大量使用小内存块的环境可以节约不少内存。

另外，这个内存管理接口接受一个额外的指针畵畤。这可以让内存管理模块工作在不同的堆上。恰当的

定制内存管理器，就可以回避线程安全问题。不考虑线程安全的因素，我们可以让内存管理工作更为高效。

另一个可以辅助我们做出更有效的内存管理模块的机制是在界畵畡电甮甲时增加的。当異畴畲传入畎畕界界时，

畯畳畩畺略的含义变成了对象的类型。这样，分配器就可以得知我们是在分配一个什么类型的对象，可以针对它做

一些统计或优化工作。

界畵畡使用了一组宏来管理不同类别的内存：单个对象、数组、可变长数组等。这组宏定义在畬畭略畭甮畨

中。

源代码甲甮甲町畬畭略畭甮畨町畭略畭畯畲畹

甲甴 # define luaM _rea lloc v (L ,b ,on ,n , e) \

甲电 ( cast ( void , \

甲甶 ( cast ( size_t , (n ) +1) > MAX_SIZ ET /( e) ) ? ( lu aM_to obig ( L) , 0) : 0) , \

甲男 luaM _rea lloc _ (L , (b) , ( on) *( e) , (n ) *(e )) )

甲甸

甲甹 # define luaM_ free mem (L , b , s ) luaM _rea lloc _ (L , (b) , (s ) , 0)

申田 # define luaM_free (L , b ) luaM _rea lloc _ (L , (b) , sizeof (*( b) ) , 0)

申由 # define luaM _freear ray (L , b , n ) luaM _rea lloc v (L , (b ) , n, 0, sizeof (( b)

[0]) )

申甲

申申 # define luaM_ mallo c (L ,s ) luaM _rea lloc _ (L , NULL , 0, (s ))

申甴 # define luaM_new (L , t) cast (t *, luaM_malloc (L , sizeof ( t) ))

申电 # define luaM _newvec tor (L ,n ,t) \

甲甮由内存管理甹

申甶 cast (t *, luaM_ real locv (L , NULL , 0 , n , sizeof (t )) )

申男

申甸 # define luaM _newobj ect (L , tag ,s) lu aM_r eall oc_ (L , NULL , tag , (s ))

申甹

甴田 # define luaM _gr owve cto r (L ,v , nelems , size ,t, limit ,e ) \

甴由 if (( nelems ) +1 > ( size )) \

甴甲 (( v)= cast ( t * , luaM _gro waux _ (L ,v ,&( size ) , sizeof ( t) ,limit ,e )) )

甴申

甴甴 # define lua M_r eal loc vec tor (L , v , oldn ,n , t) \

甴电 (( v)= cast ( t * , luaM _rea lloc v (L , v , oldn , n , sizeof ( t) )) )

这组宏的核心在一个内部畁畐畉：畬畵畡畍畲略畡畬畬畯畣，它不会被直接调用。其实现在畬畭略畭甮畣中。它调用保存

在畧畬畯畢畡畬畓畴畡畴略中的内存分配器管理内存。这些工作不仅仅是分配新的内存，释放不用的内存，扩展不够用

的内存。界畵畡也会通过畲略畡畬畬畯畣试图释放掉预申请过大的内存的后半部分，当然，这取决于用户提供的内存管

理器能不能缩小内存块了。之所以用宏来实现这组畁畐畉，是因为内存管理会被高频调用，而畬畵畡畍畲略畡畬畬畯畣當

这样的畁畐畉的传入参数中经常出现常数，实现为宏可以保证常量计算在编译时进行。

源代码甲甮申町畬畭略畭甮畣町畲略畡畬畬畯畣

男电 void * lu aM_r eall oc_ ( lua_ State *L , void * block , size_t osize , size_t nsize )

{

男甶 void * newblock ;

男男 gl obal_ Stat e *g = G (L );

男甸 size_t realosiz e = ( block ) ? osize : 0;

男甹 lua_asser t (( re alosize == 0) == ( block == NULL ) );

甸田 #if defined ( HARD MEMT ESTS )

甸由 if ( nsize > realosi ze && g - > gcrun ning )

甸甲 lua C_ful lgc (L , 1) ; /* force a GC whenever possible */

甸申 # endif

甸甴 newbloc k = (* g -> f realloc ) (g -> ud , block , osize , nsize ) ;

甸电 if ( newblock == NULL && nsize > 0) {

甸甶 api_check (L , nsize > realosize ,

甸男 " realloc cannot fail when shri nking a block " );

甸甸 if (g - > gcrunni ng ) {

甸甹 luaC_ fullg c (L , 1); /* try to free some memory ... */

甹田 newblock = (*g -> f realloc ) (g -> ud , block , osize , nsize ) ; /* try again

甹由 }

甹甲 if ( newblock == NULL )

甹申 luaD_t hrow (L , LUA _ERRME M );

甹甴 }

甹电 lua_asser t (( nsize == 0) == ( n ewblock == NULL )) ;

甹甶 g- > GCdebt = (g -> GCdebt + nsize ) - realosize ;

由田第二章全局状态机及内存管理

甹男 return newblock ;

甹甸 }

从代码中可以看到，畬畵畡畍畲略畡畬畬畯畣根据传入的畯畳畩畺略和畮畳畩畺略调整内部感知的内存大小（设置畇畃畤略畢畴），

在内存不够用的时候会主动尝试做畇畃操作。

畬畭略畭甮畣中还有另一个内部畁畐畉畬畵畡畍畧畲畯畷畡畵畸，它是用来管理可变长数组的。其主要策略是当数组空

间不够时，扩大为原来的两倍。

源代码甲甮甴町畬畭略畭甮畣町畧畲畯畷當略畣畴畯畲

甴甶 void * lu aM_g rowa ux_ ( lua_ State *L , void * block , int * size , size_t

size_elems ,

甴男 int limit , const char * what ) {

甴甸 void * newblock ;

甴甹 int newsize ;

电田 if (* size >= limit /2) { /* cannot double it? */

电由 if (* size >= limit ) /* cannot grow even a little ? */

电甲 luaG _run erro r (L , " too many %s ( limit is %d ) " , what , limit );

电申 newsize = limit ; /* still have at least one free place */

电甴 }

电电 else {

电甶 newsize = (* size ) *2;

电男 if ( newsize < MINSIZ EARR AY )

电甸 newsize = M INSI ZEAR RAY ; /* minimum size */

电甹 }

甶田 newbloc k = luaM_r eall ocv (L , block , * size , newsize , size _elems );

甶由 * size = newsize ; /* update only when ever ything else is OK */

甶甲 return newblock ;

甶申 }

由 # define luaM _gr owve cto r (L ,v , nelems , size ,t, limit ,e ) \

甲 if (( nelems ) +1 > ( size )) \

申 (( v)= cast ( t * , luaM _gro waux _ (L ,v ,&( size ) , sizeof ( t) ,limit ,e )) )

2.2 全局状态机

从界畵畡的使用者的角度看，畧畬畯畢畡畬畓畴畡畴略是不可见的。我们无法用公开的畁畐畉取到它的指针，也不需要

引用它。但分析界畵畡的实现就不能绕开这个部分。

畧畬畯畢畡畬畓畴畡畴略里面有对主线程的引用，有注册表管理所有全局数据，有全局字符串表，有内存管理函数，

有畇畃需要的把所有对象串联起来的相关信息，以及一切界畵畡在工作时需要的工作内存。

通过畬畵畡畮略畷畳畴畡畴略创建一个新的界畵畡虚拟机时，第一块申请的内存将用来保存主线程和这个全局状态

机。界畵畡的实现尽可能的避免内存碎片，同时也减少内存分配和释放的次数。它采用了一个小技巧，利用一

个界畇结构，把主线程畬畵畡畓畴畡畴略和畧畬畯畢畡畬畓畴畡畴略分配在一起。

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